SWAT模型专题知识培训

1、第二讲 SWAT模型概述 SWAT模型专题知识培训第1页提 纲1.1 SWAT 起源与发展1.2 SWAT 原理概述1.3 SWAT 结构与功效1.4 SWAT 面临问题与挑战SWAT模型专题知识培训第2页几个关键问题- SWAT 是什么？- SWAT 能做什么？- SWAT 面临问题与挑战？SWAT模型专题知识培训第3页1.1 SWAT 起源与发展20世纪90年代，美国农业部（USDA）农业研究中心（ARS）Jeff Arnold博士将SWRRB和ROTO整合为一个新模型，即SWAT（Soil and Water Assessment Tool） SWAT模型专题知识培训第4页1.1 SWA

2、T 起源与发展模型改进CREAMS模型EPIC模型杀虫剂模块日降水等水文模块作物生长模块SWRRB模型SWAT模型ROTO模型SWAT-G模型SWIM模型SWATMOD模型GLEAMS模型ESWAT模型SWAT模型专题知识培训第5页SWAT自开发以来不停在发展和完善。在世界范围内含有十分广泛应用。1.1 SWAT 起源与发展SWAT模型专题知识培训第6页SWAT应用举例： A.Arnold和Srinivasan（1999）应用气象数据模拟了美国78663个子流域内水文循环及水量平衡关系。SWAT模型专题知识培训第7页B美墨Rio Grande/Rio Bravo 流域水文模拟。流域面积60万k

3、m2，研究跨国河流Rio Grande/Ro Bravo 流域水文和水质情况，及生态系统动态过程。SWAT模型专题知识培训第8页C欧洲15国应用SWAT模型模拟农业产生营养盐输移情况。 SWAT模型专题知识培训第9页D在印度应用，量化气候改变对印度水资源影响，并进行洪水和干旱模拟分析。SWAT模型专题知识培训第10页F在英格兰流域应用，进行水量和水质模拟。SWAT模型专题知识培训第11页G在中国SWAT已经多个用于水资源和水环境、农业生产等方面案例。SWAT模型专题知识培训第12页提 纲1.1 SWAT 起源与发展1.2 SWAT 原理概述1.3 SWAT 结构与功效1.4 SWAT 面临问题

4、与挑战SWAT模型专题知识培训第13页1.2 SWAT 原理概述SWAT模拟流域水文过程分为两大部分：水循环陆面部分（即产流和坡面汇流部分）水循环水面部分（即河网汇流部分） 前者控制着每个子流域内主河道水、沙、营养物质和化学物质等输入量；后者决定水、沙等物质从河网向流域出口输移过程。SWAT模型专题知识培训第14页SWAT水文循环示意图SWAT模型专题知识培训第15页水循环陆面部分 在产流计算中，SWAT引入水文响应单元（HRU，Hydrologcial Response Unit）概念，来反应植被覆盖和土壤类型改变对产流及蒸发影响。 在每个HRU内单独计算产流量，然后叠加得到子流域产流量，在

5、进行坡面汇流，进入子流域主河道。最终经过河网汇流演算得到流域总径流量。 SWAT水循环陆面部分中，主要考虑到气候、水文和植被覆盖等几个方面原因。 1.2 SWAT 原理概述SWAT模型专题知识培训第16页水循环陆面部分 气候原因 SWAT所需要输入气候原因变量主要包含： 日降水量 最大最小气温 太阳辐射 风速 相对湿度 这些变量数值可经过天气发生器模型自动生成，也可直接输入实测数据。 1.2 SWAT 原理概述SWAT模型专题知识培训第17页水循环陆面部分水文原因 大气降水经过冠层截留（或直接）降落到地面。降到地面上水一部分下渗到土壤；一部分形成地表径流。地表径流快速汇入河道，对短期河流响应起

6、到很大贡献。下渗到土壤中水可保持在土壤中被后期蒸发掉，或者经由地下路径较迟缓流入地表水系统。1.2 SWAT 原理概述SWAT模型专题知识培训第18页水循环陆面部分植被原因 SWAT利用一个通用植物生长模型模拟全部类型植被覆盖。 植物生长模型能区分一年生植物和多年生植物。 被用来判定根系区水和营养物移动、蒸腾和生物量或产量。1.2 SWAT 原理概述SWAT模型专题知识培训第19页水循环陆面部分水土流失 SWAT采取修改MUSLE模型（Universal Soil Loss Equation,Williams,1975）来模拟每个水文响应单元HRU水土流失和泥沙产生。 MUSLE模型能够与水文

7、模型很好结合，利用水文模型提供产流量和洪峰流量进行水土流失模拟计算。1.2 SWAT 原理概述SWAT模型专题知识培训第20页水循环陆面部分营养物资 SWAT模拟流域内几个不一样形式氮、磷运动与转换。氮、磷营养物资能够经过地表径流和壤中流进入主河道传输到下游河段。 1.2 SWAT 原理概述SWAT模型专题知识培训第21页水循环陆面部分杀虫剂 杀虫剂能够用来研究流域内化学物资运动。SWAT模拟杀虫剂经由地表径流进入河网，经过下渗进入土壤和地下含水层运动过程，所用模拟方程来自GLEAMS模型（Leonard et al.,1987）。 1.2 SWAT 原理概述SWAT模型专题知识培训第22页水

8、循环陆面部分管理办法 SWAT允许用户定义每个HRU农业管理办法。用户可定义生长季节起止时间，肥料、杀虫剂和浇灌时间和数据等。另外，在SWAT中能够每年变换不一样管理办法。1.2 SWAT 原理概述SWAT模型专题知识培训第23页水循环水面部分 水循环水面过程即河道汇流部分，主要考虑水、沙、营养物（N，P）和杀虫剂在河网中输移，包含主河道以及水库汇流计算。 1.2 SWAT 原理概述SWAT模型专题知识培训第24页水循环水面部分 主河道（或河段）汇流 主河道演算分为4部分：水、泥沙、营养物和有机化学物质。 在进行河道汇流演算时，有一部分水份在输移过程中损失，包含河道蒸发和河床渗漏。另一部分被人

9、类取用。河道补充水份起源为直接降雨或点源输入。 河道水流演算多采取变动存放系数模型（variable storage coefficient method, Williams,1969）或Muskingum方法。 1.2 SWAT 原理概述SWAT模型专题知识培训第25页水循环水面部分 水库汇流演算 水库水量平衡包含：入流、出流、降雨、蒸发和渗漏。在计算水库出流时，SWAT提供三种方式： 需要输入实测出流数据； 对于小无观察值水库，需要要求一个出流量； 对于大水库，需要一个月调控目标。 1.2 SWAT 原理概述SWAT模型专题知识培训第26页提 纲1.1 SWAT 起源与发展1.2 SWAT

10、 原理概述1.3 SWAT 结构与功效1.4 SWAT 面临问题与挑战SWAT模型专题知识培训第27页1.3 SWAT 结构与功效SWAT模型专题知识培训第28页SWAT采取类似于HYMO模型（Williams and Hann,1973）命令结构来控制径流和化学物质演算。经过子流域命令，进行分布式产流计算；经过汇流演算命令，模拟河网与水库汇流过程；经过叠加命令，把实测数据和点源数据输入到模型中同模拟值进行比较；经过输入命令，接收其它模型输出之值；经过转移命令，把某河段（或水库）水转移到其它河段（或水库）中，也可直接用作农业浇灌。SWAT模型命令代码能够依据需要进行扩展。 （1）SWAT 结构

11、SWAT模型专题知识培训第29页SWAT模型专题知识培训第30页SWAT主要用来预测人类活动对水、沙、农业、化学物质影响，模拟流域内各种不一样水循环过程。为流域尺度农业管理、供水管理和气候改变影响研究，提供水循环模拟、评价和管理工具。（2）SWAT 主要功效SWAT模型专题知识培训第31页（1）SWAT 主要功效SWAT模型专题知识培训第32页提 纲1.1 SWAT 起源与发展1.2 SWAT 原理概述1.3 SWAT 结构与功效1.4 SWAT 面临问题与挑战SWAT模型专题知识培训第33页- SWAT 输入与调参问题- SWAT 平原区应用问题- SWAT 地下水模拟问题 - SWAT 城

12、市水循环模拟问题1.4 SWAT 面临问题与挑战SWAT模型专题知识培训第34页- SWAT 输入与调参问题 SWAT模拟功效强大、参数很多且含有空间分布性，而官方网站上提供AVSWAT在模型输入与参数调试方面不太方便。哪怕只改变一个降水站点数据信息或一个参数，就需要重新进行一次参数文件生成，而这个过程运行在流域SWAT模型中要花费很长时间，使得SWAT应用受到一定限制，为此需要开发了模型输入与参数调试模块，能够十分快速进行模型输入和参数调整。1.4 SWAT 面临问题与挑战SWAT模型专题知识培训第35页- SWAT 在平原区应用问题 当前官方网站上提供AVSWAT是基于ARCVIEW开发界面程序，依据DEM自动提取河网，但在平原区因为地势平坦极难有效地提取河网。需要进行改进，当前经过编程实现人工判断单元流向自动实现运行控制文件生成，处理了平原区建模难题。1.4 SWAT 面临问题与挑战SWAT模型专题知识培训第36页- SWAT 在地下水模拟中问题 SWAT考虑到对浅层和深层地下水模拟，采取是基于水循环过程水量平衡模型，能够满足普通管理上需要。不过，对于地下水流场改变模拟较弱。但能够经过耦合地下水动力学模型加以处理。当前，我们即将完成这方面开发工作。1.4 SWAT 面临问题与